黄贵来
中铁二十五局集团第四工程有限公司 广西柳州 545000
摘要 西南地区岩溶发育，严重影响建筑基础施工质量、安全及结构使用。本文结合柳州市轨道交通1号线帽合综合基地实际地质情况、周边环境特点，对比分析、总结了易塌陷区桩基施工技术，选定了最优的综合处置方案，为解决易塌陷岩溶地区建筑桩基施工问题提供了一定的参考。
关键词 易塌陷 岩溶 旋挖钻 桩基
1 工程概况：
帽合综合基地位于柳州市柳江大道与白莲大道交汇处东南侧，走向大致平行于西北侧的帽合河，最小直线距离30m，东南侧紧邻周边村庄。原地面大部分为耕地、回填区及民房，地表较平缓；地面标高为89.425m～96.952m，宏观地貌属帽合河Ⅱ级冲积阶地。项目涉及桥梁及建筑桩基2305根，桩径0.8~1.8m，桩长6~59m，平均约25米。
2 工程地质情况
2.1岩溶发育特征
2.1.1溶洞的形态、分布及充填情况
地质勘察见洞率39.7%，洞高为0.20～22.00m，平均洞高3.76m，溶洞大多被可塑～软塑状黏性土及砂土充填，局部含少量风化白云岩碎石。溶洞有地下水活动，洞穴充填物有被水冲蚀的可能。场地溶洞均为浅部发育，属浅覆盖型岩溶，无集中分布于某个小区域范围，呈分散状无规则、不均匀分布（如图1）。
图1 典型地质剖面图
2.1.2土洞和地面塌陷
勘察未揭露土洞。但在项目动工前，场区周边及场内先后发生过2起地面塌陷事件。
2012年5月，距项目北面约700m的上木照屯，发生一起岩溶地面塌陷的地质灾害，受灾面积约4万m2，共在灾区发现了5处塌陷坑（如图2）。地质专家表示，原因是春夏季节交替地下水位发生变化引发[1]。
2018年7月，在场内CRK1+000线路中心右侧25米处出现了一个约20m2的圆形地面塌陷，深约2.5m（如图3）。
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图2地质灾害 图3塌陷坑
2.2水文地质特征
2.2.1地表水
场区局部分布有农作物灌溉水渠、水洼，水量较小，水量大小受季节性控制明显。
2.2.2地下水
主要为松散岩类孔隙水（以上层滞水形式存在）、溶洞裂隙水。
（1）上层滞水：主要赋存于填筑土(1)-1层中，稳定水位埋深0.20～4.40m，相对高程87.85～91.87m，其水位受季节降雨影响较大，水量较小。
（2）溶洞裂隙水：赋存于下伏白云岩层的溶洞、裂隙中，稳定水位埋深为4.00～12.00m，地下水水量较丰富，水位变化与降雨季节及帽合河水位相关，水位年变化幅度为1～3m。
2.3稳定性评价
工程区处于岩溶地区，岩面起伏较大，岩溶发育等级为岩溶强烈发育，地下水水量较丰富，特别是雨季河水暴涨暴落，岩溶通道有利于地下水强烈活动，具备形成土洞和岩溶塌陷的条件，故场地属可能产生岩溶塌陷的危险区。
3 桩基成孔方法与技术措施的研究与确定
3.1成孔方法选择
选择成孔方法时, 首先考虑地层地质情况，再考虑成本、工期、环保和文明施工等因素[2]。鉴于工程地处易塌陷危险区，冲击成孔行程大、震动大、时间长，操作不当可能击溃溶洞顶板，或引发岩溶通道地下水强烈作用，造成塌孔、地面塌陷，地方政府禁止场区及附近使用冲击钻成孔。旋挖钻机适合各种不同地质成孔，可根据地质特点选择不同的钻头，施工速度快，故选用相对稳定、高效、环保的旋挖钻湿法作业成孔。
3.2穿越易塌地层技术措施
3.2.1穿越易塌土层、强风化白云岩层
施工难点：场区岩面起伏大，强风化白云岩层厚度0.4m～18m，普遍8~12m，在钻进时，土石交界面、强风化白云岩层遇水扰动呈流塑性，极易塌孔。
现场采取回填粘土+水泥、扩孔回填低标号混凝土、钢护筒跟进技术措施进行比选，具体见表2。
表2 易塌土层、强风化白云岩层试桩结果
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（1）旋挖钻湿法成孔主要靠静态泥浆护壁，不能像冲击钻成孔通过冲砸挤压形成密实稳定的侧壁，经试验，回填粘土+水泥不能有效治理坍塌，无法成孔。
（2）注浆形成胶结止水帷幕，对防止地下水和泥浆作用于软弱覆盖层，有一定效果。但地质不均匀，浆液流失大，注浆时间长，成本高且不可控。
（3）采用扩孔0.2m钻头正常钻进至中风化层以下1m，回填C20混凝土至强风化白云岩或易塌土层以上1m，24h后再复钻，通过回填的混凝土形成的护壁，可以穿越易塌土层、强风化白云岩层，但可能难以一次性顺利钻至预想位置就出现塌孔，需多次回填、复钻，成本较高，周期较长，尤其是软弱覆盖层厚超过5m的，成孔较为困难。
（4）采用外径D=d+0.2m（d为设计桩径）、壁厚10~12mm的钢护筒，跟进至中风化白云岩顶以下1m可有效防止塌孔。
护筒埋入深度大于12m时难以拔出，可先将护筒跟进至12m，再正常钻至中风化层以下1m位置，回填C20混凝土，对护筒底至中风化下1m段区域进行预处理，再复钻，可保证强风化层的全封闭。如一次回填仍不能成孔，则该区段采用永久护筒封闭。整体而言，该措施比较经济、高效。
综上所述，穿越易塌土层、强风化白云岩层采用扩孔回填低标号混凝土和钢护筒跟进相结合的技术措施。具体见表3。
表3 易塌土层、强风化白云岩层技术措施
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3.2.2穿越溶蚀风化破碎带
施工难点：破碎带层厚为0.2~14.1m，多数7~9m，埋深8~20m。受地下水及施工扰动的影响下，破碎带变得极其不稳定，清渣时越掏越空，引起塌孔。
通过试桩，比较了处理措施扩孔回填低标号混凝土、钢护筒跟进及帷幕注浆措施（见表4）。
表4溶蚀风化破碎带试桩结果
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（1）帷幕注浆处理有效，但破碎带松散、渗透率高，地下水作用较强，成本较高，效率较低，且有堵塞地下水径流、影响周边村庄取水风险，不采用。
（2）采用扩孔回填C20混凝土处理效果较好，如果破碎带不足3m，钻至设计标高，测量孔底沉渣厚度能满足规范要求，也可不处理直接成桩，但后续工序需紧密衔接。
（3）采用钢护筒跟进，可有效防止塌孔[3]。当破碎带底部埋深超过12m，且层厚大于 5m，其12m以上采用临时钢护筒跟进，12m以下至中风化1m处下放永久钢护筒处理。
鉴于破碎带较厚时回填混凝土存在不能一次成功的风险，其厚度大于3m时优先采用钢护筒跟进，小于3m时采用混凝土回填。
3.2.3穿越溶洞
施工难点：场区溶洞连通性好，形式复杂多样、大小不一，最高达22m，并存在多个串珠富水溶洞，最多有6层，大多充填物为可塑～软塑状黏性土及砂土，且无法判断是否为开放性溶洞，处理不当极易引起串孔漏浆、塌孔和地面塌陷。现场选取具有代表性的桩基进行试验，具体见表4。
表5 溶洞试桩结果
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h＞8m或埋深大于30m的层高＞3m串珠溶洞 全回转全套管 1根 1根 高
（1）因地下溶洞大小不可预见，岩溶裂隙、溶槽发育且贯通性好，试验桩注浆浆液流失极大，双液浆效果一般，且周期长，有破坏环境风险，不采用。
（2）高度小于3m的单个溶洞，采用回填C20混凝土的方法进行处理，填充到溶洞的顶以上1m，24h后再钻进，该方法可行；对于层高不超过3m的串珠溶洞，参照单个溶洞逐层回填处理，但层数越多，效率越低。
（3）高度大于3m小于8m的溶洞，回填混凝土数量波动较大，成本难于控制；采用钻至溶洞底基岩面以下1m，再下永久护筒，保持护筒跟进与孔底距离不大于3m可有效防止塌孔, 在短时间内基本稳定的条件下，减少护筒跟进次数, 可以加快成孔（串珠溶洞在击穿下一个溶洞顶板之前须进行跟进）。钢护筒跟进成本可控、效率高，且可防止成桩时混凝土泄漏。
（4）高度大于8m的溶洞，或埋深大于30m且层高大于3m的串珠溶洞，因内部填充物基本为软塑、流塑状，掏渣时易造成坍塌，下插钢护筒容易偏斜，回填混凝土数量不可控（相邻标段有的溶洞回填混凝土超过360m3）；全回转全套筒工法无需泥浆护壁、速度快、深度大、无塌孔、充盈系数小、操作安全可靠、环保效果好，可将永久护筒焊在钢筋笼上，确保溶洞部位不塌孔、缩颈、不泄漏混凝土。缺点是成孔成本接近普通旋挖成孔的3倍，但桩长越长、地质越复杂优势越大，因此对此类软弱层较厚、高度大的溶洞和临近既有道路、房屋的桩基采用全回转全套管工法。
穿越不同发育程度溶洞的技术措施见下表：
表6 易塌土层、强风化白云岩层技术措施
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4.施工注意事项及常见问题处理
实际施工中，勘察无法完全揭示实际地质情况，虽采取了多种技术措施，施工过程中仍难免出现塌孔、漏浆、串孔、斜孔、混凝土超方等情况，应引起注意。
4.1塌孔
塌孔除土层软弱、地下洞穴漏浆、涌水等地质原因外，静态泥浆护壁较薄，施工扰动情况下如泥浆比重低、水头不平衡形成压力差，或钻进过快、提（下）钻速度过快、抽吸活塞作用也极易造成塌孔。另外护筒跟进不及时也是主要原因。
针对强风化白云岩和溶洞填充物遇水呈流塑状的特点，采用高粘度、容重的泥浆（粘度18s、比重1.1）。在钻头上设置通气孔，操作人员每次提钻时控制提升速度，尽量边回转边提升，保证泥浆往孔内流动，避免提钻过程形成负压，导致孔壁及溶洞周边的泥土涌入桩孔内。跟机人员注意观察，保证泥浆比重和保持水头在地下水位以上1m，发现泥浆迅速流失时第一时间提钻补浆，投入袋装水泥、袋装粘土逆时针搅拌挤压堵漏，静置24h再钻。现场做好应急备料，如水泥、粘土、泥浆、泥浆泵等以便及时处置，泥浆储备应不小于预估造浆量的2倍。
同时须对周边地面进行密切观察，如有地面裂纹，并伴有下沉迹象，第一时间撤离人员和机械，设置警戒区，待下沉稳定后，回填平实再施工。
成孔后应做好后续工序组织，尽量缩短下钢筋笼、护筒安装、混凝土灌注时间，防止沉渣超标或塌孔，下钢筋笼、护筒控制在40分钟内，混凝土灌注4h内完成。如发现混凝土灌注量明显比预计少，说明有孔壁坍塌或缩径，应返工。
4.2串孔
混凝土灌注时，发现在桩基附近的个别桩或地质探孔有涌水或水泥浆冒出，距离最远的有19m。施工时务必保持跳桩作业，溶洞相对集中区域间隔不小于15m，一般区域不小于8m。灌注前应对作业区附近钻探孔采用粘土回填；桩基串孔时，未成孔的回填较浅的桩，已成孔的直接成组灌注。
4.3钻孔偏斜
场区岩面起伏大，局部参差不齐，常见孤石、石笋和“半边岩”，且溶洞岩体风化程度不同，容易偏斜孔。“半边岩”桩位，采用筒钻钻进，切入斜岩面，形成导向环并制造自由面，再由捞沙斗钻进捞渣[4]。如已发生偏斜孔，可回填片石或C35混凝土至岩面，混凝土48h后再钻进，低速钻进操作时采用轻加压或自重加压钻进的方式，直到钻头全部入岩后再正常钻进。
当覆盖层较厚或溶洞内含有较厚的塑状填充物，由于钢护筒周边的侧压力较大且分布不均匀，钢护筒在下沉过程中可能产生变形或偏斜，应将钢护筒拔出、修复，回填混凝土后再重新钻孔[5]。
4.4混凝土泄漏
混凝土泄漏主要发生在混凝土灌注和护筒拔除过程中，个别在护筒拔除后，下沉1~3m，最高下沉12m，有缓慢下沉的，也有突然下沉的。原因是混凝土灌注后，桩基周边岩溶通道、未揭露的土洞洞壁或回填混凝土护壁受压挤破。
灌桩时需注意勤观察液面变化，或护筒外侧、桩基周边桩孔及勘察孔以及地面有无冒水、冒浆；增加混凝土面量测次数，灌注情况正常时，尽量保持导管最大埋深，适当推迟拔、拆导管时间，以免混凝土面突然下降、导管外露造成断桩。根据现场经验，要求混凝土灌注完成或护筒拔除后再监测不小于20分钟，混凝土面保持稳定，方可拆导管。
4.5混凝土超方
扩孔和局部偏孔、串孔、小塌孔、小溶洞造成的混凝土超方难以杜绝，需重点防止大塌孔、频繁塌孔造成混凝土回填严重超方和溶洞内填充物坍塌、隐性溶洞贯通造成的混凝土灌注超方。在钢护筒与回填混凝土交接部位，特别是相邻探孔有溶洞的部位，下钢筋笼前，在钢筋笼保护层外套焊厚4mm的薄护筒，或螺旋形缠绕密目 丝网，可减少混凝土泄漏和减轻对护壁压力，有效降低超方量。
施工顺序选择上，应按照选外围后中间、先长后短、先施工较大、多个溶洞的桩再施工较小、单个溶洞的桩基施工[6]。
5 结语
尽管岩溶地区桩基施工技术已经比较成熟 ，但由于岩溶发育程度的不同，水文地质条件的差异，仅以终勘资料进行施工的风险较大，特别是遇到串珠溶洞及发育情况比较复杂的溶洞，单一技术措施效果不佳，需根据具体情况，采用多种方式综合处置。施工现场须再三比对、精准掌握不良地质情况，精心组织，对症下药，选择合理的成孔方案，并做好应急准备，采取有效的措施处置各种突发情况，目前已完成并检测的1268根桩，I类桩占比98.9%，无不合格桩基，有效保证了施工安全、质量和成桩效率。
参考文献
[1]郑细苹. 广西多处地面塌陷原因分析及对策研究[J]. 城市建设理论研究（电子版）, 2012, 000(016):1-5.
[2]吴志卿. 浅谈旋挖钻与回旋钻及冲击钻施工工艺[J]. 江西建材, 2014(23):98-98.
[3]许化伟. 岩溶地区钻孔灌注桩成孔施工技术[J]. 城市建设理论研究:电子版, 2011, 000(022):1-7.
[4]蔡志舰, 陈长江. 旋挖钻机在溶洞地层桩基施工中的问题及处理[J]. 筑路机械与施工机械化, 2013(02):78-80.
[5]薛立建. 公路桥梁桩基工程溶洞处理研究[D]. 河北工业大学, 2014.
[6]郭晗. 建筑工程桩基施工工艺分析与研究[J]. 建筑工程技术与设计, 2014, 000(018):333-333,331.